Диссертация (Моделирование и анализ электромеханических процессов в асинхронных машинах с общим валом), страница 11

3.5)Рис. 3.5. Использование блока MASS пакета Ansys Simplorer для моделированияротора как тела, которому присуще вращательное движениеИспользование этого блока предполагает решение уравнения (3.11) сизвестными электромагнитными моментами, моментом нагрузки, суммарныммоментами инерции обеих машин.Так как входными данными являются напряжения, подаваемые на фазу,необходимо рассмотреть вопрос о расчете токов фаз, определяющих jст в (3.10)для одной машины. Для этого совместно с полевым расчетом в Ansys Simplorerрешается система уравнений (3.12) баланса напряжений фаз, составленная посхеме замещения на рисунке 3.6, в которой первым сомножителем правой частиприсутствует ЭДС пазовой части обмотки, найденная из полевого расчёта.87ЭДС фазыNdi (t ) kU AM (t )    A2 Ai  A1 Ai wki l  i AM (t )rMл  LMл AMt i1dtdiBM (t ) NkU BM (t )    A2 Bi  A1Bi wki l  iBM (t )rMл  LMлt i 1dt,Nkdi (t )U CM (t )    A2Ci  A1Ci wki l  iCM (t )rMл  LMл CMt i 1dtгдеA2 Ai , A1Ai(3.12)- средневзвешенные векторные магнитные потенциалы в пазах,соответствующих сторонам катушки, в которой определяется ЭДС (рис.

3.7),определенные как среднее арифметическое потенциалов узлов в пределах паза,wki - число витков в i-й катушке, l - длина пазовой части машины, rMл , LMл параметры лобовых частей обмоток.Рис. 3.6. Структурная схема замещения фазы обмотки статораR1 и L1л – сопротивление фазы и индуктивность лобовой части обмотки статорасоответственноНаводимая в фазе ЭДС может быть определена из расчета поля как [51]:d  NkE (t )     A2 Bi  A1Bi wki l .dt t i 188(3.13)Так как поле плоскопараллельное, лобовые части обмотки выносятся запределы полевой модели и участвуют в уравнении баланса напряжений в видепадений напряжения на активном и индуктивном сопротивлении лобовой частиобмотки, то принимается, что они не зависят от насыщения.

Потокосцеплениепазовой части рассчитывается для каждой катушки, входящей в обмотку какразность средневзвешенных векторных магнитных потенциалов в пазах,соответствующих сторонам катушки (рис. 3.7). Сумма потокосцепленийотдельных катушек дает потокосцепление фазы.

ЭДС фазы рассчитывается какпроизводная по времени от потокосцепления фазы.Рис. 3.7. Пояснение к определению ЭДС фазы статораРешение уравнений (3.12) совместно с полевым расчетом двух машиндает токи трех фаз машины в переходных и установившихся режимах. Длямодели второй машины решается подобная же система уравнений для трех фазстатора.Полнаясхемамоделиэлектромеханическихпроцессовсистемыасинхронный двигатель – асинхронный генератор показана на рисунке 3.8. Онасостоит из двух конечно – элементных моделей асинхронных машин в составеагрегата (расположены в правой части). Каждая модель подсоединена ксобственному источнику питания. Для одной из машин это три источниканапряженияспостояннымпоамплитуденапряжениеммоделирующие сеть, к которой подсоединен генератор.89ичастотой,90генератор с общим валом, основанной на прямых расчетах электромагнитных полей в обеих машинах с взаимоувязкой моментов на валуРис.

3.8. Структурная схема модели для расчета электромеханических процессов в системе асинхронный двигатель – асинхронныйДля второй машины средствами Simplorer собран источник питания,моделирующий источник напряжения в виде преобразователя частоты с ШИМ.Каждая фаза машин содержит активное сопротивление фазы статора ииндуктивность, моделирующую индуктивное сопротивление лобовой частиобмотки статора машины.

В каждую фазу машины включены амперметр иваттметр для осциллографирования тока и мощности каждой фазы вотдельности.Механические выходы конечно–элементных моделей соединены в общийузел и подключены к общему блоку MASS. Такой прием позволяетсмоделировать общий вал. Суммарный электромагнитный момент действует наобщий ротор, угол поворота, определенный при решении уравнения 3.11,передается в обе модели для физического поворота роторов на этот угол накаждом новом моменте времени.3.3. Алгоритм взаимной увязки полевых моделей асинхронныхмашин с общим валомРасчет электромеханических процессов системы асинхронный двигатель– асинхронный генератор в модели можно представить следующим образом:1) На данном шаге по времени при заданных начальных и граничныхусловиях в моделях асинхронных машин рассчитываются электромагнитныеполя, определяется электромагнитные моменты каждой машины.2) Решается уравнение 3.11 при заданных электромагнитных моментах,моментах нагрузки, моментах инерции, определяется угол поворота ротора искорость.3) На следующем шаге по времени роторы в моделях доворачиваются нарассчитанный угол, в моделях перестраивается конфигурация ротора, сеткаконечных элементов.4) На новой сетке определятся электромагнитное поле обеих машин, дляобмоток определяется изменение потокосцепления и ЭДС.915) При известных ЭДС, источниках напряжения, решается системауравнений 3.12, определяются токи обмоток обеих машин.6) Рассчитанные токи фаз машин являются источниками поля в видераспределений плотности тока по пазам в конечно-элементных моделях машинна следующей итерации.Отдельным этапом становится моделирование источника с ШИМ.

Такойисточник формируется на базе моделей IGBT-транзисторов, имеющихся вAnsys Simplorer, соединенных по схеме инвертора напряжения, представленнойна рис. 3.9.Рис. 3.9. Структурная схема источника напряжения – ПЧ с ШИМ напряженияПараллельно каждому транзистору включен диод, во избежаниепротекания обратного тока через ветвь. В нижней части собрана схема,позволяющая сформировать сигналы на открытие и закрытие транзисторов.Формирование сигналов происходит следующим образом (рис 3.10, а, б):1) Задаетсясинусоидальныйсигналсчастотой,равнойчастотевыходного напряжения источника (на рисунке 3.10 f=54 Гц) с единичнойамплитудой.922) На этот сигнал суммированием накладывается треугольный сигнал снесущей частотой ШИМ (на рисунке 3.10 fнес =2000 Гц) также с единичнойамплитудой, и этот сигнал является задающим.3) Сигнал подается на компаратор, который сравнивает задающий сигналс нулем и дает единицу, если задающий сигнал меньше нуля и минус единицу,еслионбольшенуля.Полученныйсигналкомпаратораявляетсяинформационным сигналом открытия транзисторов, подается на первыйтранзистор фазы и инверсным подается на второй транзистор.

Этообеспечивает закрытие одного из транзисторов фазы при открытом другом. Потакому же принципу формируются управляющие сигналы других фаз, сотличием в том, что заданный синусоидальный сигнал идет со сдвигом на 120градусов для других фаз.4) Импульсное выходное напряжение, полученное на фазе, являетсяподобным синусоидальному, сравнение представлено на рис 3.10 (б).Питаниеинвертораосуществляетсяотисточникапостоянногонапряжения.Рис.

3.10. Формирование выходного напряжения ПЧ с ШИМ по схеме на рис. 3.9:задающий сигнал и сигнал, полученный с компаратора (а); поданное напряжение нафазу статора АД (б)933.4. Анализ электромеханических процессов в асинхронных машинахс общим валом, рассчитанных на основе взаимосвязанных полевыхмоделей машинНа рисунках 3.11 – 3.14 представлены графики электромеханическихпроцессов в системе асинхронный двигатель – асинхронный генератор. Кривыеполучены расчетным путем в модели, основанной на прямом расчетеэлектромагнитного поля. Модель была построена на двух асинхронныхмашинах АИРМ63В4У3, мощностью 0,37 кВт.Рисунок 3.11 иллюстрирует токи в переходном процессе запускадвухмашинного агрегата из асинхронных машин, соединенных валами. Послезапуска машина выходит в установившийся режим при номинальной нагрузке.В форме тока при пуске и в установившемся режиме присутствуют колебания,обусловленные работой от источника с ШИМ.Рис.

3.11. Токи трех фаз статора двигателя94На рисунке 3.12 показаны токи переходного процесса при запуске второймашины, работающей в генераторном режиме – кривые имеют синусоидальнуюформу без видимых искажений, так как генератор работает от сети ссинусоидальным напряжением.Рис. 3.12. Токи трех фаз статора генератораРисунок 3.13 иллюстрирует зависимость суммарного электромагнитногомомента, действующего на роторы машин в процессе пуска от времени. Вустановившемся режиме момент принимает нулевое значение – моментыдвигателя и генератора компенсируются.

В кривой момента присутствуютколебания, вызванные питанием от источника с ШИМ.95Рис. 3.13. Момент, действующий на роторыРисунок 3.14 иллюстрирует зависимость скорости роторов агрегата отвремени в процессе пуска двухмашинного агрегата. Скорость устанавливаетсяна значении, соответствующем скорости, задаваемой частотой питаниядвигателя. Колебания, вызванные ШИМ, сглаживаются инерцией роторов.Рис. 3.14. Кривая разгона роторов96Анализ электромеханических процессов в асинхронных машинах собщим валом, полученных расчетным путем на основе взаимосвязанныхполевых моделей машин показывает, что в асинхронных машинах с общимвалом проявляется взаимное влияние электромагнитных полей в разныхмашинах через взаимосвязь электромагнитных моментов машин на валу.Разработанные методики, алгоритмы и программы расчета переходных иустановившихся режимов в асинхронных машинах с общим валом на основепрямых расчетов взаимосвязанных электромагнитных полей в обеих машинахпозволяют определять уточненные характеристики машин, исследоватьэлектромеханические процессы в машинах с учетом частоты и формыпитающего напряжения, в том числе, при работе от ПЧ с ШИМ напряжения.Результаты исследований опубликованы в работах [42, 44, 46, 114].97ВЫВОДЫ1.

В асинхронных машинах с общим валом проявляется взаимное влияниеэлектромагнитныхполейвразныхмашинахчерезвзаимосвязьэлектромагнитных моментов машин на валу.2.Методикичисленныхрасчетовэлектромагнитныхполейиэлектромеханических процессов в асинхронных машинах с общим валом,отличающиесявзаимнойэлектромагнитномуувязкоймоментуполевыхнаосновемоделейобеихсистемноймашинпоминимизацииэлектромагнитных «энергетических» функционалов в машинах, позволяютопределять уточненные характеристики машин.3. Разработанные алгоритмы и программы расчета переходных иустановившихся режимов в асинхронных машинах с общим валом на основепрямых расчетов взаимосвязанных электромагнитных полей в обеих машинахпозволяют исследовать электромеханические процессы в машинах с учетомчастоты и формы питающего напряжения, в том числе, при работе от ПЧ сШИМ напряжения.4.